資源一號(hào)02D衛(wèi)星在軌測(cè)試自然資源典型應(yīng)用

魏紅艷 肖晨超 宋慶君 劉克 初啟鳳 李娜 李戰(zhàn) 孫小飛

(1 自然資源部國土衛(wèi)星遙感應(yīng)用中心，北京 100048)(2 國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心，北京 100081)(3 黑龍江地理信息工程院，哈爾濱 150086)(4 中國自然資源航空物探遙感中心，北京 100083)(5 河北省水文工程地質(zhì)勘查院，石家莊 050021)(6 四川省地質(zhì)調(diào)查院，成都 610081)

在遙感技術(shù)和應(yīng)用的雙重驅(qū)動(dòng)下，近年來我國國產(chǎn)衛(wèi)星事業(yè)迅速發(fā)展，國內(nèi)各行業(yè)應(yīng)用日益廣泛，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益[1-3]。在自然資源業(yè)務(wù)應(yīng)用領(lǐng)域，衛(wèi)星遙感調(diào)查也從土地和礦產(chǎn)資源的分布調(diào)查為主，拓展為山水林田湖草全要素，由數(shù)量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)量、質(zhì)量、生態(tài)三位一體綜合調(diào)查。衛(wèi)星遙感全面服務(wù)于自然資源調(diào)查監(jiān)測(cè)、所有者權(quán)益、開發(fā)利用、國土空間規(guī)劃、用途管制、生態(tài)修復(fù)和督察執(zhí)法等自然資源主責(zé)主業(yè)，不斷推動(dòng)衛(wèi)星遙感向自動(dòng)化、定量化和規(guī)?；较虬l(fā)展，這對(duì)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)從譜段、幅寬、定標(biāo)精度等方面提出了更高的要求。

資源一號(hào)02D衛(wèi)星(又稱為5米光學(xué)業(yè)務(wù)衛(wèi)星)于2019年9月12日成功發(fā)射，實(shí)現(xiàn)了與資源一號(hào)02C衛(wèi)星的有序接替。衛(wèi)星同時(shí)搭載可見近紅外相機(jī)和高光譜相機(jī)，定位于中等分辨率、大幅寬觀測(cè)和定量化遙感，是我國自主建造并成功運(yùn)行的首顆民用高光譜業(yè)務(wù)衛(wèi)星，也是國家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施中新型對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星。在軌測(cè)試期間，開展了衛(wèi)星數(shù)據(jù)在土地、地質(zhì)礦產(chǎn)和環(huán)境、測(cè)繪、海洋等領(lǐng)域的應(yīng)用評(píng)價(jià)，初步驗(yàn)證了衛(wèi)星數(shù)據(jù)的應(yīng)用能力與潛力，其與后續(xù)系列衛(wèi)星組網(wǎng)，可形成領(lǐng)先的業(yè)務(wù)化對(duì)地光譜探測(cè)能力，滿足新時(shí)期自然資源監(jiān)測(cè)需求，為逐步實(shí)現(xiàn)自然資源新時(shí)期遙感監(jiān)測(cè)提供數(shù)據(jù)保障，并指導(dǎo)后續(xù)的業(yè)務(wù)化應(yīng)用。

本文介紹了資源一號(hào)02D衛(wèi)星的特點(diǎn)，基于開展的土地資源、地質(zhì)礦產(chǎn)與環(huán)境、基礎(chǔ)測(cè)繪、海洋等自然資源典型應(yīng)用測(cè)試結(jié)果，總結(jié)了衛(wèi)星的應(yīng)用能力。

1 資源一號(hào)02D衛(wèi)星的特點(diǎn)

資源一號(hào)02D衛(wèi)星充分考慮了用戶對(duì)圖像幅寬、光譜、幾何精度、輻射方面的業(yè)務(wù)化需求，性能指標(biāo)較資源一號(hào)02C衛(wèi)星大幅提升(見表1)[4]。資源一號(hào)02D衛(wèi)星的兩個(gè)顯著特點(diǎn)：一是大幅寬，二是光譜信息豐富。

表1 資源一號(hào)02D衛(wèi)星與資源一號(hào)02C衛(wèi)星主要參數(shù)對(duì)比表Table 1 Comparison of main parameters between ZY-1-02D satellite and ZY-1-02C satellite

幅寬大小與數(shù)據(jù)連片區(qū)域覆蓋能力成正比，直接影響衛(wèi)星的數(shù)據(jù)獲取效率，而采用相機(jī)拼接方式增大幅寬，不僅會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)的處理效率產(chǎn)生影響，影像邊緣畸變也較大[5]；資源一號(hào)02D衛(wèi)星搭載的可見近紅外相機(jī)115 km的大幅寬，可實(shí)現(xiàn)大中型城市一次性全覆蓋[6]，具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)區(qū)域連片覆蓋能力。在軌測(cè)試期間以云南西雙版納傣族自治州和黑龍江牡丹江市為測(cè)區(qū)，在不考慮天氣條件下，2019年11月至2020年4月期間，兩個(gè)測(cè)區(qū)均實(shí)現(xiàn)了多次覆蓋，最小全覆蓋時(shí)間周期僅為7天，區(qū)域重疊率較小的兩三軌數(shù)據(jù)即能達(dá)到99%以上的覆蓋。

資源一號(hào)02D衛(wèi)星搭載的可見近紅外相機(jī)在傳統(tǒng)4波段的基礎(chǔ)上增加了海岸藍(lán)、黃色、紅邊和近紅外，從而具備1個(gè)全色和8個(gè)多光譜的9譜段成像能力，提供了更豐富的地物光譜信息，測(cè)試表明多波段組合更有利于礦山地物的信息提取、有利于地理國情監(jiān)測(cè)要素提取與更新等；高光譜相機(jī)可獲取地物在400～2500 nm范圍內(nèi)166個(gè)連續(xù)譜段光譜信息，便于開展定量化遙感應(yīng)用。

2 自然資源典型應(yīng)用

為驗(yàn)證資源一號(hào)02D衛(wèi)星在自然資源主體業(yè)務(wù)中的應(yīng)用潛力，在完成衛(wèi)星系統(tǒng)、星地一體化及地面系統(tǒng)測(cè)試的基礎(chǔ)上，分別針對(duì)可見近紅外相機(jī)和高光譜相機(jī)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品，圍繞土地資源、地質(zhì)礦產(chǎn)與生態(tài)環(huán)境、基礎(chǔ)測(cè)繪、海洋海島監(jiān)測(cè)等業(yè)務(wù)，開展了自然資源應(yīng)用測(cè)試工作(見圖1)，為衛(wèi)星投入使用后順利轉(zhuǎn)入業(yè)務(wù)化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

圖1 資源一號(hào)02D衛(wèi)星自然資源應(yīng)用測(cè)試業(yè)務(wù)圖Fig.1 Services chart of natural resources application test of ZY-1-02D satellite

2.1 土地資源應(yīng)用

土地資源調(diào)查與監(jiān)測(cè)遙感應(yīng)用的基礎(chǔ)是影像地類的識(shí)別能力，即不同地表覆蓋/土地利用類型的可分性[7]。利用資源一號(hào)02D衛(wèi)星可見近紅外相機(jī)數(shù)據(jù)開展了地表覆蓋變化監(jiān)測(cè)應(yīng)用測(cè)試，結(jié)果顯示融合影像可識(shí)別種植土地、林草覆蓋、房屋建筑(區(qū))、鐵路與道路、構(gòu)筑物、人工推掘地、水域等一級(jí)類，能識(shí)別土地二級(jí)類中的水田、喬木林、多層及以上房屋建筑區(qū)、公路、露天采掘場(chǎng)等部分地物類型；基本能滿足三、四類監(jiān)測(cè)區(qū)影像數(shù)據(jù)保障需求，為土地變更調(diào)查提供基礎(chǔ)信息(見圖2)；可提取新增建設(shè)用地的最小圖斑滿足最小0.6畝(約400 m2)的要求，可用于土地資源全天候遙感監(jiān)測(cè)；通過多時(shí)相高分辨率遙感影像比對(duì)，能獲取疑似違法圖斑類型的屬性、范圍等信息(見圖3)。此外寬幅可見近紅外相機(jī)具備較強(qiáng)的區(qū)域性數(shù)據(jù)獲取能力，在滿足土地資源領(lǐng)域應(yīng)用對(duì)完整行政轄區(qū)覆蓋的需求方面[8],具有顯著優(yōu)勢(shì)。

圖2 地表覆蓋變化監(jiān)測(cè)圖Fig.2 Monitoring the change of land coverage

圖3 疑似違法圖斑(毀林)Fig.3 Suspected illegal spot (deforestation)

2.2 地質(zhì)礦產(chǎn)與環(huán)境應(yīng)用

利用可見近紅外數(shù)據(jù)開展了基礎(chǔ)地質(zhì)、地質(zhì)環(huán)境、地質(zhì)災(zāi)害、礦山開發(fā)現(xiàn)狀等常規(guī)調(diào)查監(jiān)測(cè)測(cè)試，結(jié)果顯示資源一號(hào)02D衛(wèi)星可見近紅外相機(jī)融合數(shù)據(jù)結(jié)合其他資料，能區(qū)分大部分地層、構(gòu)造、巖體等基礎(chǔ)地質(zhì)要素，識(shí)別一定規(guī)模的崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害類型，解譯濕地、荒漠化、沙化、水體、植被等環(huán)境因子，提取有關(guān)礦業(yè)活動(dòng)圖斑(見圖4)?？捎糜?∶25 000的礦山開發(fā)遙感調(diào)查與監(jiān)測(cè)、礦產(chǎn)環(huán)境恢復(fù)治理監(jiān)管應(yīng)用評(píng)價(jià)(見圖5)，1∶50 000的遙感地質(zhì)解譯、地質(zhì)災(zāi)害遙感調(diào)查與監(jiān)測(cè)、生態(tài)地質(zhì)環(huán)境遙感調(diào)查以及農(nóng)林水土綜合評(píng)價(jià)等業(yè)務(wù)。

已有研究表明：基于高光譜豐富的光譜信息，可開展礦物精細(xì)識(shí)別、水質(zhì)監(jiān)測(cè)、植被覆蓋監(jiān)測(cè)、生態(tài)系統(tǒng)分類、土壤信息提取等應(yīng)用[9-11]，資源一號(hào)02D衛(wèi)星的高光譜載荷為地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查與環(huán)境監(jiān)測(cè)的定量化應(yīng)用提供了高光譜數(shù)據(jù)。

圖4 礦山開采遙感解譯圖Fig.4 Remote sensing interpretation of mining

在礦物信息提取和豐度反演方面，利用資源一號(hào)02D衛(wèi)星高光譜數(shù)據(jù)采用綜合光譜特征匹配度和特征參量的礦物識(shí)別方法，開展了礦物信息提取(見圖6)。結(jié)果顯示：高光譜數(shù)據(jù)對(duì)具有明顯光譜特征的礦物信息響應(yīng)較好，所識(shí)別出的褐鐵礦、絹云母、方解石、白云石、綠泥石/綠簾石等礦物特征譜形清晰可辨，特征吸收位置準(zhǔn)確；根據(jù)礦物特征吸收深度大小可對(duì)礦物相對(duì)豐度進(jìn)行反演?？捎糜趨^(qū)域礦物填圖和找礦預(yù)測(cè)，為境內(nèi)外重要成礦帶或者重點(diǎn)區(qū)域開展礦物填圖提供數(shù)據(jù)支撐。

圖5 礦山環(huán)境恢復(fù)治理圖Fig.5 Restoration and management of mine environment

在水質(zhì)參數(shù)反演方面，利用該星高光譜數(shù)據(jù)采用水質(zhì)反演模型，反演了葉綠素a(見圖7)、懸浮物濃度等水質(zhì)參數(shù)。結(jié)果顯示：高光譜數(shù)據(jù)具有與水質(zhì)參量相關(guān)的精細(xì)光譜特征，其高的光譜分辨率能為水質(zhì)參量反演提供更豐富的波段選擇，反演結(jié)果與地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比整體一致性較好。

在植被參量估算和植被生態(tài)系統(tǒng)精細(xì)分類方面，相較于傳統(tǒng)多光譜遙感，基于高光譜數(shù)據(jù)可大大提高植被指數(shù)(見圖8)所能反映的信息量，并且能提升植被生態(tài)系統(tǒng)類型劃分的精細(xì)程度和準(zhǔn)確性。綜合利用高光譜地表反射率數(shù)據(jù)以及空間紋理、植被指數(shù)等特征，采用支持向量機(jī)分類方法，進(jìn)行植被生態(tài)系統(tǒng)精細(xì)分類(見圖9)；綜合目視比較和精度分析認(rèn)為，選擇合適時(shí)相的數(shù)據(jù)，可有效地進(jìn)行植被生態(tài)系統(tǒng)精細(xì)分類。

在土壤參量反演方面，利用高光譜數(shù)據(jù)可獲取耕地土壤中秸稈分布情況、提取有機(jī)質(zhì)、水分、沙化(見圖10)等部分信息，因疫情影響未開展地面同步實(shí)測(cè)，精度將在后續(xù)相關(guān)工作中驗(yàn)證；但已表明資源一號(hào)02D衛(wèi)星高光譜遙感數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)室理化參量可構(gòu)建相應(yīng)指數(shù)或模型，實(shí)現(xiàn)土壤有機(jī)質(zhì)、鐵氧化物以及部分營(yíng)養(yǎng)元素信息的定量反演，能推動(dòng)土壤質(zhì)量、土壤退化等方面的調(diào)查工作。

此外，在軌測(cè)試期間，還開展了植被覆蓋區(qū)植被異常信息提取，圈定重金屬元素脅迫下部分典型植被分布位置，與已知礦點(diǎn)一致性好，未來對(duì)植被覆蓋區(qū)遙感找礦具有積極指導(dǎo)意義。

圖6 基于高光譜數(shù)據(jù)的礦物信息提取圖 Fig.6 Mineral information extracted from the hyperspectral

圖7 基于高光譜數(shù)據(jù)的水體葉綠素a濃度反演圖Fig.7 Retrieval illustrationof chlorophyll a concentration in water originating from the hyperspectral data

注：NDVI為歸一化植被指數(shù)。

2.3 測(cè)繪應(yīng)用

1∶50 000地形數(shù)據(jù)和地理國情監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是構(gòu)建自然資源三維立體“一張圖”、支撐地表覆蓋自然資源調(diào)查監(jiān)測(cè)的重要空間載體。按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和技術(shù)要求，利用資源一號(hào)02D衛(wèi)星可見近紅外相機(jī)數(shù)據(jù)，在東北平原地區(qū)開展了1∶50 000地形數(shù)據(jù)庫更新和地理國情監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)更新等業(yè)務(wù)應(yīng)用與評(píng)價(jià)。結(jié)果顯示：其幾何校正精度、影像配準(zhǔn)誤差、影像融合效果等質(zhì)量評(píng)價(jià)合格，要素紋理清晰，光譜信息豐富，地物識(shí)別度高。水系、居民地及設(shè)施(見圖11)、交通、植被與土質(zhì)等典型地物的結(jié)構(gòu)類型、分布范圍、輪廓特征、位置關(guān)系等清晰，易于解譯；個(gè)別復(fù)雜區(qū)域利用多波段組合方式，可實(shí)現(xiàn)模糊地物要素關(guān)系的判別與區(qū)分，衛(wèi)星數(shù)據(jù)能有效用于1∶50 000地形數(shù)據(jù)庫更新和地理國情監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)更新。

圖11 居民地(街區(qū))變化監(jiān)測(cè)Fig.11 Change detection of residential area (block)

2.4 海洋應(yīng)用

近海及海岸帶是海洋資源豐富且對(duì)海洋經(jīng)濟(jì)有巨大貢獻(xiàn)的區(qū)域，不同于全球海洋觀測(cè)的需求，在近海以及海岸帶區(qū)域需要相對(duì)較高空間分辨率的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，利用資源一號(hào)02D衛(wèi)星數(shù)據(jù)根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范開展了相關(guān)主體業(yè)務(wù)的應(yīng)用。結(jié)果顯示：可見近紅外相機(jī)數(shù)據(jù)質(zhì)量良好，圖像紋理清晰，對(duì)水邊線、冰緣線、浮筏養(yǎng)殖以及海上漂浮藻類、紅樹林和濕地等信息提取準(zhǔn)確，能有效的用于圍填海調(diào)查、海岸線變化監(jiān)測(cè)、海冰監(jiān)測(cè)(海洋突發(fā)事件應(yīng)急響應(yīng)等)(見圖12)、近海養(yǎng)殖區(qū)監(jiān)測(cè)(見圖13)和大面積綠潮災(zāi)害監(jiān)測(cè)、海洋典型生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)(見圖14)等；高光譜數(shù)據(jù)可有效識(shí)別海上漂浮藻類，可實(shí)現(xiàn)濕地、紅樹林等海洋典型生態(tài)系統(tǒng)的分類(見圖15)。另外定標(biāo)精度提升的高光譜數(shù)據(jù)可用于近海小范圍的海上水色要素提取。

圖12 遼東灣海冰遙感監(jiān)測(cè)圖Fig.12 Monitoring the sea ice in Liaodong bay

圖13 大連浮筏養(yǎng)殖遙感監(jiān)測(cè)圖Fig.13 Monitoring the floating raft breeding in Dalian

圖14 深圳福田區(qū)紅樹林遙感監(jiān)測(cè)圖 Fig.14 Monitoring the mangroves in Futian district, Shenzhen

圖15 基于高光譜的深圳福田區(qū)紅樹林分類圖Fig.15 Classification of mangroves deriving from the hyperspectral data in Futian district, Shenzhen

3 結(jié)束語

本文通過資源一號(hào)02D衛(wèi)星應(yīng)用在軌測(cè)試表明：該星數(shù)據(jù)可對(duì)土地、地質(zhì)礦產(chǎn)與環(huán)境、測(cè)繪、海洋等調(diào)查監(jiān)測(cè)要素信息進(jìn)行高精度解譯，可在礦物識(shí)別、水質(zhì)監(jiān)測(cè)、土壤調(diào)查等方面進(jìn)行定量反演，不僅可用于日常的調(diào)查監(jiān)測(cè)監(jiān)管，也可用于突發(fā)事件應(yīng)急響應(yīng)，有效服務(wù)/推動(dòng)自然資源調(diào)查、監(jiān)測(cè)、監(jiān)管和應(yīng)急等業(yè)務(wù)。在軌測(cè)試是限于有限區(qū)域和數(shù)據(jù)的應(yīng)用測(cè)試，后續(xù)規(guī)模化的星載高光譜數(shù)據(jù)應(yīng)用需要大量的同步觀測(cè)、光譜樣本等數(shù)據(jù)支撐；部分探索性應(yīng)用需進(jìn)一步驗(yàn)證和開展技術(shù)方法研究；星載高光譜混合像元的分析也需繼續(xù)推進(jìn)。隨著業(yè)務(wù)應(yīng)用的深入和在軌數(shù)據(jù)的不斷積累，資源一號(hào)02D衛(wèi)星將成為自然資源調(diào)查監(jiān)測(cè)的重要數(shù)據(jù)源，以拓展多樣化的遙感監(jiān)測(cè)手段，提高山水林田湖草等自然資源定量化調(diào)查監(jiān)測(cè)能力，提升自然資源調(diào)查監(jiān)測(cè)技術(shù)水平。